Jeigu į kosmoso keliones žiūrėtume kaip į kelionę automobiliu, Merkurijus turėtų būti vienas lengviausių taikinių.
Jis – pati artimiausia Saulei planeta. Palankiomis sąlygomis Žemę ir Merkurijų skiria maždaug 77 mln. kilometrų. Jupiteris nuo mūsų gali būti nutolęs šimtus milijonų kilometrų daugiau.
Tačiau Europos ir Japonijos kosminis aparatas „BepiColombo“, paleistas 2018 m. spalio 20 d., Merkurijaus orbitą pasieks tik 2026 m. lapkričio 21 d.
Beveik aštuoneri metai.
Dar keisčiau skamba naujausias ESA skaičius: iki 2026 m. rugsėjo „BepiColombo“ per vidinę Saulės sistemą jau buvo nukeliavęs apie 9,9 mlrd. kilometrų.
Kodėl aparatas, skrendantis į palyginti netolimą planetą, nukeliauja milijardus kilometrų ir sugaišta beveik dešimtmetį?
Nes skrydyje į Merkurijų atstumas nėra pagrindinė problema.
Pagrindinė problema – stabdymas.
Esmė
Esmė
Merkurijus daug arčiau už Jupiterį, tačiau „BepiColombo“ iki jo keliavo 8 metus. Problema ne atstumas – prie Saulės aparatą reikia stabdyti.
- Artėjant prie Saulės aparatas ne lėtėja, o greitėja Saulės gravitacija traukia zondą žemyn į savo gravitacinį lauką. Kuo jis leidžiasi giliau, tuo daugiau greičio įgyja.
- Merkurijus pats skrieja apie 47 km/s greičiu Norint tapti jo palydovu neužtenka planetą pasiekti. Reikia labai tiksliai suderinti savo orbitą ir greitį su Merkurijumi.
- Todėl „BepiColombo“ atliko devynis planetų praskriejimus Vieną kartą grįžo prie Žemės, du kartus praskriejo Venerą ir šešis kartus – patį Merkurijų. Šių manevrų tikslas buvo ne pagreitėti, o atsikratyti perteklinės orbitinės energijos.
- Aštuoneri metai nėra vien pirminio plano rezultatas Misija iš pradžių turėjo Merkurijaus orbitą pasiekti 2025 m. pabaigoje, tačiau 2024 m. sumažėjus elektrinių variklių galiai ESA pakeitė trajektoriją. Dabar į orbitą planuojama patekti 2026 m. lapkričio 21 d.
Skrydis į Merkurijų yra kritimas „žemyn“
Žemė skrieja aplink Saulę maždaug 30 km/s greičiu.
Kartu su ja tokiu pačiu principu juda ir nuo Žemės paleistas kosminis aparatas. Raketa nepalieka jo nejudančio kosmose – zondas paveldi didžiulį Žemės orbitinį greitį.
Kad pasiektų Merkurijų, aparatui reikia pereiti iš Žemės orbitos aplink Saulę į daug mažesnę orbitą.
Ir čia intuicija dažnai apgauna.
Gali atrodyti, kad skrendant Saulės link gravitacija turėtų padėti ir todėl kelionė turėtų būti lengva.
Ji iš tiesų padeda – tik per daug.
ESA šį procesą lygina su kritimu nuo milijonų kilometrų aukščio skardžio, kai apačioje dar reikia švelniai nusileisti ant judančio taikinio.
Kuo zondas artėja prie Saulės, tuo daugiau gravitacinės potencinės energijos pavirsta greičiu. Aparatas lekia vis greičiau.
Tačiau Merkurijuje jo tikslas nėra pralėkti pro planetą.
Jis turi tapti jos palydovu.
Ir pats Merkurijus niekur nelaukia
Merkurijus aplink Saulę apskrieja vos per 88 Žemės paras.
NASA duomenimis, orbitoje planeta skrieja maždaug 47 km/s greičiu – greičiau už bet kurią kitą Saulės sistemos planetą.
Todėl kosminiam aparatui reikia ne tiesiog atsidurti vietoje, kur tuo metu yra Merkurijus.
Jis turi atsidurti ten tinkama kryptimi ir tinkamu greičiu.
Jei santykinis greitis bus per didelis, mažos Merkurijaus gravitacijos neužteks aparatui pagauti. Zondas pralėks pro planetą ir toliau skris aplink Saulę.
Būtent tai puikiai iliustruoja pirmoji žmonijos Merkurijaus misija.
„Mariner 10“ Merkurijų pasiekė per kelis mėnesius – bet nesustojo
NASA „Mariner 10“ buvo paleistas 1973 m. lapkričio 3 d., o pirmą kartą Merkurijų pasiekė jau 1974 m. kovą.
Tai buvo maždaug penkių mėnesių kelionė.
Atrodytų, įrodymas, kad aštuoneri metai visiškai nereikalingi.
Tačiau „Mariner 10“ turėjo visai kitą užduotį: jis neįskrido į Merkurijaus orbitą.
Aparatas tiesiog praskrido pro planetą. Vėliau jo orbita aplink Saulę leido Merkurijų aplankyti dar du kartus.
Pralėkti pro planetą yra daug lengviau nei prie jos sustoti.
Galėtume palyginti su automobiliu greitkelyje: pasiekti miestą ir pravažiuoti jo ženklą lengva. Visai kita užduotis – važiuojant milžinišku greičiu sustoti tiksliai miesto centre.
Tai ne „BepiColombo“ keistenybė: „MESSENGER“ irgi skrido daugiau nei šešerius metus
Pirmasis aparatas, kuriam iš tiesų pavyko tapti Merkurijaus palydovu, buvo NASA „MESSENGER“.
Jis startavo 2004 m. rugpjūtį ir į Merkurijaus orbitą pateko tik 2011 m. kovą.
NASA nurodo, kad daugiau nei šešerių metų kelionėje aparatas atliko vieną Žemės, du Veneros ir tris Merkurijaus gravitacinius praskriejimus.
Visų jų tikslas buvo palaipsniui sumažinti zondo orbitinę energiją ir jo greitį Merkurijaus atžvilgiu, kartu taupant degalus.
Tad ilga kelionė iki artimiausios Saulei planetos nėra blogai suplanuotos misijos požymis.
Priešingai – tai būdas padaryti misiją apskritai įmanomą.
Kodėl negalima tiesiog atsukti variklių į priekį ir stabdyti?
Teoriškai galima.
Praktiškai tam reikėtų milžiniško kuro kiekio.
Cheminė raketa turi ne tik sudeginti kurą. Ji turi visą tą kurą pirmiausia iškelti iš Žemės gravitacinio lauko.
O norint iškelti daugiau kuro, reikia didesnės raketos ir dar daugiau kuro.
Tai yra viena pagrindinių kosminių skrydžių problemų, aprašoma Ciolkovskio raketos lygtimi: kuo didesnio greičio pokyčio reikia, tuo eksponentiškai sunkiau tampa neštis reikalingą reaktyvinę masę.
ESA pabrėžia, kad „BepiColombo“ atveju vien įprastais cheminiais varikliais atlikti visą reikiamą stabdymą būtų reikėję tiek kuro, kad tokios masės aparatą būtų buvę nepraktiška paleisti.
Todėl inžinieriai pasirinko lėtesnį, bet kur kas efektyvesnį kelią.
Jie leido planetoms atlikti dalį stabdymo beveik nemokamai.
Gravitacinė „timpa“ gali ne tik pagreitinti, bet ir stabdyti
Apie gravitacinius manevrus dažnai kalbame kaip apie būdą kosminiam aparatui įsibėgėti.
„Voyager“ misijos, pavyzdžiui, panaudojo Jupiterį ir Saturną tam, kad gautų papildomos orbitinės energijos ir lėktų tolyn nuo Saulės.
Tačiau procesas veikia ir priešinga kryptimi.
Jeigu zondas tinkamai praskrieja pro planetą, jis gali jai atiduoti mažytę dalį savo orbitinės energijos.
Planetai šis pokytis praktiškai nepastebimas. Kosminiam aparatui – milžiniškas.
ESA aiškina, kad skrendant į vidinę Saulės sistemą būtent taip galima sumažinti zondo orbitą ir greitį nenaudojant milžiniško kuro kiekio.
„BepiColombo“ šį metodą naudojo ypač intensyviai.
Devyni praskriejimai, kad pagaliau būtų galima sustoti
Per savo kelionę „BepiColombo“ atliko:
1 Žemės praskriejimą – 2020 m. balandžio 10 d.
2 Veneros praskriejimus – 2020 m. spalį ir 2021 m. rugpjūtį.
6 Merkurijaus praskriejimus – nuo 2021 m. spalio iki 2025 m. sausio.
Iš viso – devyni gravitaciniai manevrai.
Kiekvienas jų po truputį keitė zondo greitį ir orbitą aplink Saulę.
Ypač paradoksaliai atrodo šeši Merkurijaus praskriejimai.
Aparatas jau buvo pasiekęs savo tikslą 2021 m. Jis Merkurijų matė iš labai arti.
Tačiau negalėjo tiesiog likti.
Pirmiausia reikėjo dar kelis kartus grįžti, kiekvienu praskriejimu vis labiau priartinant savo orbitą prie Merkurijaus orbitos.
Tik tada santykinis greitis taps pakankamai mažas, kad 2026 m. būtų galima atlikti orbitos įterpimo manevrą.
Tarp planetų zondą daugelį mėnesių stabdė joniniai varikliai
„BepiColombo“ kelionė paremta ne vien gravitacija.
Jį į Merkurijų gabeno Mercury Transfer Module – MTM – su keturiais elektriniais joniniais varikliais.
Jie veikė visiškai kitaip nei galingas raketos variklis paleidimo metu.
Saulės baterijų elektra jonizavo ksenono dujas, o elektrinis laukas įelektrintas daleles išmesdavo iš variklio labai dideliu greičiu.
Trauka buvo nedidelė. Tačiau ją galima palaikyti dienas, savaites ir mėnesius.
2026 m. birželio 15 d. ESA paskutinį kartą išjungė šią elektrinės traukos sistemą. Ji savo darbą atliko.
Tai labai efektyvus kompromisas: vietoj trumpo, milžiniško stabdymo impulso – metų metus trunkantis labai švelnus orbitos keitimas.
Kodėl kelionė galiausiai truko aštuonerius, nors iš pradžių buvo planuota trumpesnė?
Čia svarbi detalė: aštuoneri metai nėra vien dangaus mechanikos rezultatas.
Pirminis „BepiColombo“ planas numatė Merkurijaus orbitą pasiekti 2025 m. gruodį – maždaug po septynerių metų nuo paleidimo.
Tačiau 2024 m. balandį atsirado techninė problema.
Mercury Transfer Module nebegalėjo perduoti tiek elektros energijos joniniams varikliams, kiek buvo numatyta. ESA nustatė, kad dėl netikėtų elektros srovių tarp saulės baterijų ir energijos paskirstymo sistemos varikliams liko per mažai galios vykdyti pirminį planą.
Inžinieriai pasirinko ne rizikuoti misija, o perbraižyti trajektoriją.
Ketvirtasis Merkurijaus praskriejimas 2024 m. buvo pakoreguotas taip, kad aparatas priartėtų vos maždaug iki 165 km nuo planetos paviršiaus ir gravitacija atliktų didesnę stabdymo darbo dalį.
Naujas maršrutas išsaugojo mokslinius misijos tikslus, tačiau atvykimą nukėlė beveik metais – į 2026 m. lapkritį.
Tad trumpiausias atsakymas būtų toks: Merkurijaus fizika pareikalavo maždaug septynerių metų sudėtingos kelionės, o techninis gedimas pridėjo dar beveik metus.
Kur „BepiColombo“ yra dabar?
2026 m. rugsėjo 3 d. įvyko vienas svarbiausių visos misijos momentų.
Po beveik aštuonerių bendros kelionės metų nuo dviejų mokslinių zondų sėkmingai atsiskyrė Mercury Transfer Module – dalis, kuri visą kelią tiekė elektrą ir vykdė elektrinį varymą.
ESA nurodo, kad iki šio momento visa sistema per vidinę Saulės sistemą buvo nukeliavusi apie 9,9 mlrd. kilometrų.
Dabar lieka du moksliniai aparatai:
ESA Mercury Planetary Orbiter (MPO), kuris tirs planetos paviršių, vidinę sandarą, sudėtį ir aplinką;
JAXA Mio, skirtas Merkurijaus magnetosferai tirti.
Pagal dabartinį ESA grafiką, abu kartu į Merkurijaus poliarinę orbitą turėtų patekti 2026 m. lapkričio 21 d.
Gruodžio 9–10 d. zondai atsiskirs vienas nuo kito, o MPO dar kelis mėnesius mažins savo orbitą.
Pagrindinė mokslinė misija planuojama nuo 2027 m. balandžio.
Paradoksas: energetiškai Merkurijus gali būti sunkesnis taikinys už Plutoną
Tai turbūt geriausiai parodo, kodėl kosmose kilometrai klaidina.
Plutonas yra už milijardų kilometrų.
NASA „New Horizons“ iki jo skrido maždaug devynerius su puse metų.
Merkurijus – dešimtis kartų arčiau. O „BepiColombo“ kelionė irgi trunka beveik aštuonerius metus.
ESA net pabrėžia, kad reikalingos orbitinės energijos požiūriu įvesti sunkų kosminį aparatą į Merkurijaus orbitą yra sudėtingesnis uždavinys nei nusiųsti aparatą Plutono kryptimi.
Priežastis paprasta.
Į išorinę Saulės sistemą reikia įgyti orbitinės energijos.
Į Merkurijų reikia milžinišką dalį jau turimos energijos prarasti.
O kosmose stabdymas kainuoja tiek pat fizikos, kiek ir greitėjimas.
Tas pats paradoksas paaiškina, kodėl sunku net „nukristi į Saulę“
Jeigu nuo Žemės paleistume objektą ir tiesiog „nukreiptume į Saulę“, jis greičiausiai į ją nenukristų.
Objektas jau skrieja šonu kartu su Žeme maždaug 30 km/s greičiu.
Kad jis kristų beveik tiesiai į Saulę, pirmiausia reikėtų panaikinti didžiąją dalį šio šoninio orbitinio greičio.
Štai kodėl net NASA „Parker Solar Probe“, kuris skrenda daug arčiau Saulės už Merkurijų, turėjo naudoti daugybę Veneros gravitacinių manevrų savo orbitai palaipsniui mažinti.
Kelionės vidun Saulės sistemoje nėra paprastas važiavimas trumpesniu keliu.
Tai orbitinės energijos valdymo problema.
Kosmose svarbiau ne „kiek kilometrų“, o „kiek reikia pakeisti greitį“
Kosminių misijų inžinieriai todėl labai dažnai galvoja ne apie kilometrus, o apie delta-v – kiek reikia pakeisti aparato greitį.
Du objektai gali būti santykinai arti vienas kito, bet skrieti visiškai skirtingomis orbitomis. Tokiu atveju kelionė tarp jų gali būti energetiškai labai brangi.
Kitas objektas gali būti daug toliau, tačiau jo link palanki gravitacinė timpa gali pasiųsti zondą labai efektyvia trajektorija.
Būtent todėl Saulės sistemos žemėlapio negalima skaityti kaip Europos kelių žemėlapio.
Artimiausias taškas nebūtinai yra lengviausiai pasiekiamas.
Taigi kodėl iki Merkurijaus reikia skristi aštuonerius metus?
Ne todėl, kad Merkurijus būtų labai toli.
Ir net ne todėl, kad „BepiColombo“ būtų lėtas.
Jis sąmoningai praleido didžiąją kelionės dalį bandydamas atsikratyti greičio ir orbitinės energijos, su kuria startavo kartu su Žeme.
Saulės gravitacija artėjant aparatą vis greitina. Merkurijus pats lekia aplink Saulę beveik 47 km/s. O jo gravitacija per silpna, kad dideliu santykiniu greičiu atskridusį zondą tiesiog pagautų.
Todėl „BepiColombo“ nepasirinko tiesios linijos.
Jis grįžo prie Žemės, du kartus lankė Venerą, šešis kartus pralėkė pro patį Merkurijų ir mėnesius naudojo joninius variklius – visa tai tam, kad galiausiai prie planetos atvyktų ne kuo greičiau, o pakankamai lėtai.
Štai didysis Merkurijaus paradoksas.
Iki jo galima nuskristi per kelis mėnesius.
Sunku yra ten pasilikti.
Komentarai